ВОДОРОД (лат. Hydrogenium) Н - первый химический элемент периодической системы   Менделеева; атомный номер 1, атомная масса 1,0079. Газ без цвета и запаха. В природе встречаются два стабильных изотопа В. - ¹Н (протий) и ²Н, или D (дейтерий), и один радиоактивный - ³Н, или Т (тритий). Искусственно получен так же крайне неустойчивый изотоп ⁴Н. Основную массу природного В. составляет протий, на 6800 атомов которого приходится лишь 1 атом дейтерия. Однако это соотношение несколько меняется в зависимости от конкретных условий. Так, поверхностные воды океана немного обогащены дейтерием, входящим в состав тяжёлой воды D₂O, а атмосферные осадки и ледники обеднены им. Это объясняется тем, что Н₂O испаряется чуть-чуть легче, чем D₂O. Тритий образуется из азота в верхних слоях атмосферы при ядерных реакциях под действием нейтронов космических лучей:

¹⁴₇N + ¹₀n = ¹²₆C + ³₁H

Количество трития на Земле ничтожно - во всех водах его содержится около 2-3 кг. При радиоактивном превращении трития (период полураспада Т_½ =12,262 года) в результате β-распада заряд ядра увеличивается на еди­ницу, а масса практически не меняется; так образуется изотоп гелия ³Не.

Водород в природе. В. - самый распространённый элемент космоса. Он составляет около половины массы Солнца и большинства звёзд, основную часть газов межзвёздной среды и туманностей. В недрах звёзд при температурах в сотни миллионов градусов и давлении в миллионы атмосфер В. находится в виде протонов - ядер атомов ¹₁H. Здесь происходит реакция слияния атомных ядер (реакция термоядерного синтеза): из четырёх протонов ¹₁H образуется ядро атома гелия ⁴₂Не, а также два позитрона и два нейтрино. Энергия, выделяющаяся при этом, огромна: она позволяет звёздам  и Солнцу светить миллиарды лет.

Содержание В. в земной коре 0,15 % по массе. В. входит в состав самого распространённого на Земле вещества - воды. Общее содержание В. на Земле составляет по массе 1 %, а по числу атомов 16 %. Содержится он и в соединениях, слагающих угли, нефть, природный газ, глины, а также организмы животных и растений. Однако в свободном состоянии В. встречается редко; небольшие количества его содержатся в вулканических и других природных газах.

Ничтожные количества свободного В. (0,0001 % по числу атомов) присутствуют в атмосфере. В природных водах ионов Н⁺ - не более 0,0001 г в 1 л. Но роль их огромна. Воды с повышенным содержанием ионов В. способны разрушать минералы и даже растворять металлы. Такие воды образуются во многих почвах и болотах, где идёт энергичное разложение органических веществ. Это они делают почвы кислыми, неплодородными. В нашей стране кислые почвы нейтрализуют, добавляя известняк СаСO₃ или гашёную известь Са(ОН)₂. А в районах действующих вулканов, где с больших глубин поднимаются горячие воды, содержащие минеральные кислоты (соляную, фтористоводородную, борную и другие), иногда текут целые «кислые реки». Так, на Курильских островах есть реки, вода которых - это фактически раствор соляной кислоты с высоким содержанием ионов железа и алюминия.

Историческая справка. В трудах химиков XVI и XVII вв. неоднократно упоминалось о выделении горючего газа при действии кислот на металлы.

В 1766 г. английский учёный Г. Кавендиш собрал и исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». В 1783 г. знаменитый французский химик А. Лавуазье путём анализа и синтеза доказал сложность состава воды. В 1787 г. Лавуазье определи «горючий воздух» как новый химический элемент и дал ему название hydrogene (по-гречески «хюдор» - вода, «геннао» - рождаю), то есть водород, «рождающий воду». Отсюда и происходит латинское название В. - hydrogenium. В первой таблице атомных весов элементов (1803 г.) вес В., как самого лёгкого из них, был принят за единицу; оказалось, что веса других элементов выражались числами, близкими к целым.

На этом основании английский учёный. У. Праут в 1815-16 гг. высказал предположение, что все элементы образованы из В., являющегося первичной материей. Эта гипотеза была оставлена после того, как более точные измерения дали для многих элементов дробные значения атомных весов (шведский химик Я. Берцелиус в 1818 г., швейцарский химик Ж. Стае позднее). В наши дни, казалось бы, гипотеза Праута возродилась: ядро водорода - протон (по-гречески «протос» - первое) действительно входит в состав атомных ядер всех элементов. Однако современное учение о строении атома отнюдь не сводится к догадке Праута, оно неизмеримо шире и глубже.

Атом и молекула водорода. Атом В. состоит из одного ядра (протона) и одного электрона. Это простейший атом, не имеющий аналогов в периодической системе. Теряя электрон, В. образует катион - положительно заряженный ион Н⁺, то есть, подобно щелочному металлу, проявляет окислительное число +1. Однако катион Н⁺ - «голое» ядро. Эго отличает его от катионов щелочных металлов, вокруг ядер которых расположены электронные оболочки. Иону В., обладающему к тому же очень малым радиусом, ничто не мешает в ходе реакций глубоко проникнуть в электронное облако других атомов, при этом он может соединяться с ними ковалентной связью. Но даже в таком, химически связанном состоянии В. сохраняет способность притягиваться к другим электро­отрицательным атомам (например, к кислороду), образуя с ними так называемую водородную   связь.

И хотя водородные связи слабее обычных химических связей, они существенно влияют на свойства веществ. Так, благодаря этим связям вода затвердевает при значительно более высокой температуре, чем это предсказывает теория. Водородные связи придают молекулам белков строго определённую пространственную конфигурацию.

Конечно же, никакими такими свойствами щелочные металлы не обладают. Более того, атом В. способен ещё и присоединять электрон, превращаясь в анион, отрицательный ион Н^-, и проявляя окислительное число -1. Такой ион имеет электронную оболочку гелия. В этом отношении В. сходен с галогенами, анионы которых также имеют электронные оболочки типа инертных газов. Поэтому в периодической системе элементов В. относят и к I группе, как это сделал Д. И. Менделеев, и к VII группе, где расположены галогены.

Молекула В. состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной связью, которая возникает вследствие обобществления электронов.

Атом В., благодаря простоте своего строения, послужил первым объектом, на котором были проверены выводы квантовой механики. А молекула В. послужила первой моделью, на которой проверялись методы квантовой химии, позволяющие вычислять энергии связей между атомами и предсказывать результаты химических превращений.

Физические свойства. В обычных условиях В. имеет плотность 0,0899 г/л; это самый лёгкий газ - он почти в 15 раз легче воздуха! В. сжижается при -252,6 ^оС и затвердевает при -259,1 °С. Только гелий сжижается при более низкой температуре. Жидкий В.- также самая лёгкая из известных жидкостей: при температуре кипения плотность жидкого В. всего 0,071 г/см³.

В. замечателен своей высокой теплопроводностью: нагретое тело, помещённое в атмосферу В., остывает в 6 раз быстрее, чем на воздухе. Это свойство формально роднит В. с металла­ми. Причина такой высокой теплопроводности В. заключается в том, что его лёгкие молекулы имеют очень большую среднюю скорость теп­лового движения. И ещё одним удивительным свойством обладает свободный В.: в то время как в воде он растворяется очень слабо (около 0,02 объёма на объём Н₂O в обычных условиях), его растворимость в некоторых металлах необычайно высока. Например, 1 объём палладия может поглотить до 900 объёмов В.

Растворяют В. и другие металлы, хотя в меньшей мере. Это приходится учитывать в технике. В. заметно (особенно при повышенных температурах) проникает вглубь металла или сплава. Диффузия В. через углеродистый сплав, например через сталь, иногда приводит к разрушению сплава из-за взаимодействия В. с углеродом (в технике этот процесс называют декарбонизацией).

Химические свойства. Химическая активность молекулярного В. в обычных условиях невелика. Но при высоких температурах он распадается (диссоциирует) на атомы, которые чрезвычайно активны. Диссоциация легче происходит в присутствии катализаторов (палладия, платины и др.). Атомарный В. образуется также в различных химических реакциях, например при взаимодействии цинка с соляной кислотой:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + 2H

Но такой В. существует очень короткое время, а затем соединяется в молекулы Н₂. Поэтому в химии часто используют В. именно «в момент выделения» (по-латынй - in statu nascendi), то есть получают его в присутствии того вещества, с которым он должен прореагировать. В обычных условиях молекулярный В. взаимодействует лишь с наиболее активными элементами: фтором (со взрывом - даже в темноте и при сильном охлаждении), с хлором (только на ярком свету, но лучше при нагревании), с бромом и йодом (не полностью и только при нагревании). Во всех случаях образуются галогеноводороды HX(HF, НС1, HBr, HI) например:

H₂ + Cl₂ = 2HCl

Синтез хлористого водорода из В. и хлора проводится в промышленности.

При нагревании В. взаимодействует со многими элементами. С кислородом образует воду:

2Н₂ + O₂ = 2Н₂O

Горение В. в атмосфере кислорода сопровождается выделением значительного количества теплоты. Смесь В. с кислородом (2 объёма Н₂ и 1 объём O₂) при поджигании сильно взрывается и поэтому носит название гремучего газа.

Взаимодействие В. с кислородом (так же, как и со фтором) относится к классу разветвлённых цепных реакций. Их механизм был изучен советским химиком академиком Н.Н. Семёновым. В ходе таких реакций образуются особые активные частицы - радикалы Н, ОН и О. Радикалы, реагируя с молекулами исходных веществ, дают воду и ещё некоторое количество радикалов, которых, таким образом, становится всё больше и больше. Скорость такой реакции нарастает, как лавина, и в конце концов может произойти сильный взрыв.

С азотом В. реагирует в присутствии катализаторов по обратимой реакции:

3H₂ + N₂ ↔ 2NH₃

По этой реакции при нагревании и повышенном давлении в промышленности получают аммиак. При повышенной температуре В. реагирует также с серой,  селеном  и теллуром. Взаимодействие В. со щелочными и щелочно­земельными металлами приводит к образованию гидридов, например:

2⁰Li + H₂ = 2⁺¹L^-1H

Реакция В. со щелочными металлами служит примером процесса, в котором В. играет роль окислителя. Однако это для него нехарактерно, и в большинстве других случаев он ведёт себя как типичный восстановитель. Восстанавливает В. и органические соединения, но только в присутствии катализаторов (Pd, Pt и др.).

Действуя в определённых условиях В. на малоценные твёрдые топлива (бурые угли, горючие сланцы), можно превратить их в жидкую смесь углеводородов, подобную нефти. Жидкое топливо, так называемый синтин, образуется также при нагревании смеси В. и окиси углерода в присутствии катализаторов.

Отметим, наконец, что В. входит в состав кислот. Присутствие ионов Н⁺ оказывает огромное влияние на ход многих химических и биологических процессов.

Получение. В лабораторных условиях В. получают в аппаратах Киппа по реакции цинка с разбавленной (1:5 по объёму) серной кислотой:

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂

Чистый В. можно также получить, пропуская пары воды через раскалённые железные стружки:

4Н₂O + 3Fe = Fe₃O₄ + 4Н₂

А в так называемых полевых условиях очень удобно получать В. действием воды на гидрид лития:

LiH + H₂O = LiOH + H₂

Этот способ недёшев, но хорош тем, что из сравни­тельно малого количества реагента получают большой объём газа 1 кг LiH даёт около 3 м³ Н₂ (воду не следует принимать в расчёт: её практически всегда можно найти на месте).

Наиболее распространённый способ промышленного получения В. - так называемая конверсия метана (главной составной части природного газа):

СН₄ + 2Н₂O = 4Н₂ + СO₂

В. образуется также в результате двух промышленно важных процессов: газификации жидкого и твёрдого топлива. Суть первого процесса - термическое разложение предельных углеводородов нефти (пиролиз) с образованием непредельных углеводородов и В., например:

С₅Н₁₂ = С₅Н₁₀ + Н₂ (С₅Н₁₂ - пентан, С₅Н₁₀ - пентен).

Во втором процессе углерод реагирует с водой при нагревании, давая смесь В. и окиси угле­рода («водяной газ»):

Н₂O + С = Н₂ + СО

Иногда газификацию ведут в присутствии воздуха или чистого кислорода. В зависимости от этого состав получаемого газа меняется и его используют либо как топливо, либо как химическое сырьё.

Большие количества свободного В. cодержат газы, образующиеся при коксовании каменного угля.

Иногда для получения В. применяют электролиз воды, точнее водных растворов кислот или щелочей (чистая вода проводит электрический ток очень плохо). При электролизе воды наряду с В. получают также кислород.

Газообразный В. хранят под большим давлением в баллонах из стали, окрашенных в зелёный цвет.

Применение. Первоначально В. использовали главным образом для наполнения воздушных шаров и дирижаблей. Однако впоследствии от этого отказались, так как В. чрезвычайно опасен в пожарном отношении. Сейчас водородом наполняют лишь исследовательские шары-зонды, несущие научную аппаратуру. И всё же В. продолжает участвовать в полётах, но не на воздушных шарах, а в ракетах как топливо. Здесь используется способность В. сгорать в атмосфере кислорода с выделением большого количества теплоты. Перспективно «сжигание» В. в так называемых топливных элементах, непосредственно преобразующих химическую энергию топлива в электроэнергию.

В недалёком будущем предстоит найти та­кие водородные смеси, которые можно было бы использовать в уже существующих двигателях внутреннего сгорания, в том числе в автомобильных.

Взаимодействие В. с кислородом применяется для сварки и резки металлов кислородо-водородным пламенем (температура до 2800 °С). А в так называемых атомарно-водородных горелках, дающих температуру до 4000 °С, используется способность молекулярного В. поглощать большое количество теплоты при диссоциации на атомы, а затем снова её выделять при соединении атомов в молекулы.

Проходя через вольтову дугу; струя В. в таких горелках сильно нагревается причём молекула В. частично диссоциирует на атомы. Столкнувшись с какой-нибудь твёрдой поверхностью, атомы В. снова соединяются в молекулы. Поэтому предмет, внесённый в струю ато­марного В., сильно раскаляется: выделяющаяся энергия как бы концентрируется на его поверхности.

Обширны и чисто химические области применения В., (они многообразны, но все связаны с его восстанавливающей способностью). Так, В. используют для синтеза аммиака и хлористого водорода. С помощью В. получают особо чистые металлы, нужные полупроводниковой технике. В. широко применяется в промышленности органического синтеза для восстанов­ления самых разнообразных соединений, для получения метилового спирта, твёрдых пищевых жиров из жидких растительных масел, синтетического жидкого топлива.

Большие перспективы открывает применение изотопов В. - дейтерия и трития - в качестве термоядерного горючего. Эти изотопы в будущем обеспечат человечество практически  неисчерпаемым  источником энергии.

Ядра дейтерия при высокой температуре (сотни миллионов градусов) сливаются в ядра гелия. При этом освобождается огромное количество энергии - около 4,19^.10¹¹ кдж (10¹¹ ккал) на каждый килограмм. Содержание дейтерия в природном В. относительно мало (0,015 %). Но из-за очень широкой распространённости В. на Земле запасы дейтерия практически безграничны. К тому же для; выделения дейтерия из обычной воды используют такой сравнительно простой процесс, как электролиз. При электролизе растворов легче разлагается вода, содержащая протий, и остаток обогащается дейтерием. Проводя электролиз много раз, можно получить практически чистый дейтерий.

Следует отметить, что пока термоядерную реакцию удаётся осуществить только при взрывах термоядерных («водородных») бомб; на пути проведения управляемой термоядерной реакции учёным и инженерам предстоит преодолеть ещё много различных трудностей. Ожидают, что осуществить управляемую термоядерную реакцию удастся  в ближайшие 20-30 лет.

Тяжёлая вода уже и сейчас играет важную роль в атомной промышленности: ядра дейтерия служат прекрасным замедлителем нейтронов в атомных реакторах.

Итак, В. в природе выполняет важнейшую роль: он служит «топливом» для звёзд, а его ядра, протоны, являются «кирпичиками», из которых построены ядра других элементов. На Земле В. входит в состав воды, без которой невозможна жизнь. Для современного человечества В. - это сырьё для химической промышленности и вещество, необходимое в технике. А для человечества будущего - практически неиссякаемый источник энергии.